Ασύρματα, Κινητά Δίκτυα

Transcript

1 Δίκτυα Επικοινωνιών ΙΙ Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Ασύρματα, Κινητά Δίκτυα Διδάσκων: Λάζαρος Μεράκος

2 Δίκτυα Επικοινωνιών ΙΙ Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Θεματικές Ενότητες (ΘΕ) μαθήματος: ΘΕ1: Εισαγωγή (Κεφ. 1 του βιβλίου) Συνιστώμενο Βιβλίο: Computer Networking: A Top-Down Approach, by Kurose & Ross, Addison-Wesley Ελληνική Μετάφραση: Εκδόσεις : Μ. Γκιούρδας ΘΕ2: Συστήματα Αναμονής (Μ/Μ/1 και παραλλαγές, Μ/G/1, συστήματα με προτεραιότητες, δίκτυα ουρών) ΘΕ3: Ασύρματα/Κινητά Δίκτυα (ασύρματα τοπικά δίκτυα, υποστήριξη κινητικότητας στο διαδίκτυο, κινητά δίκτυα 3ης γενιάς) (Κεφ. 6 του βιβλίου) ΘΕ4: Δικτύωση και Εφαρμογές Πολυμέσων (Κεφ. 7 του βιβλίου) ΘΕ5: Ασφάλεια Δικτύων (Κεφ. 8 του βιβλίου) Οι περισσότερες από τις διαφάνειες αυτής της ενότητας αποτελούν προσαρμογή και απόδοση στα ελληνικά των διαφανειών που συνοδεύουν το βιβλίο Computer Networking : A Top-Down Approach, J.F Kurose and K.W. Ross, 6/E, Addison-Wesley. All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Προσαρμογή και επιμέλεια της απόδοσης των πρωτότυπων διαφανειών στα ελληνικά : Λάζαρος Μεράκος 6-2

3 Ασύρματα και Κινητά Δίκτυα Ο αριθμός ασύρματων συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας πλέον ξεπερνάει τον αριθμό ενσύρματων συνδρομητών τηλεφωνίας (5-προς-1)! Ο αριθμός ασύρματων συσκευών συνδεδεμένων στο Internet ισούται με τον αριθμό ενσύρματων συσκευών συνδεδεμένων στο Internet laptops, τηλέφωνα με ενεργοποιημένο Internet υπόσχονται ασύρματη πρόσβαση ανά πάσα στιγμή Δύο σημαντικές (αλλά διαφορετικές) προκλήσεις ασύρματη επικοινωνία κινητικότητα: διαχείριση του κινητού που αλλάζει σημείο σύνδεσης στο δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-3

4 Διάρθρωση θεματικής ενότητας 6.1 Εισαγωγή Ασύρματη Επικοινωνία 6.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 6.3 IEEE ασύρματα LANs ( Wi-Fi ) 6.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Internet αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 6.5 Αρχές: διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση προς κινητούς χρήστες 6.6 Mobile IP 6.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 6.8 Κινητικότητα και πρωτόκολλα υψηλότερων στρωμάτων 6.9 Περίληψη Wireless, Mobile Networks 6-4

5 Στοιχεία ασύρματου δικτύου Υποδομή δικτύου Wireless, Mobile Networks 6-5

6 Στοιχεία ασύρματου δικτύου Ασύρματα τερματικά Υποδομή Δικτύου laptop, smartphone τρέχουν εφαρμογές μπορεί να είναι στατικά ή κινητά το «ασύρματο» δε σημαίνει πάντα κινητικότητα Wireless, Mobile Networks 6-6

7 Στοιχεία ασύρματου δικτύου σταθμός βάσης Υποδομή Δικτύου συνήθως συνδέεται στο ενσύρματο δίκτυο αναμετάδοση υπεύθυνος για αποστολή πακέτων μεταξύ τερματικών ενσύρματου και ασύρματου δικτύου στην περιοχή του π.χ., κεραίες κινητής, σημεία πρόσβασης Wireless, Mobile Networks 6-7

8 Στοιχεία ασύρματου δικτύου ασύρματη ζεύξη Υποδομή Δικτύου συνήθως συνδέει κινητά με το σταθμό βάσης χρησιμοποιείται και ως ζεύξη κορμού πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης συντονίζει την πρόσβαση στη ζεύξη ποικιλία ρυθμών δεδομένων, απόστασης μετάδοσης Wireless, Mobile Networks 6-8

9 Data rate (Mbps) Χαρακτηριστικά επιλεγμένων ασύρματων προτύπων n a,g a,g point-to-point b 4G: LTWE WIMAX 4 3G: UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO G: UMTS/WCDMA, CDMA G: IS-95, CDMA, GSM Indoor 10-30m Outdoor m Mid-range outdoor 200m 4 Km Long-range outdoor 5Km 20 Km Wireless, Mobile Networks 6-9

10 Στοιχεία ασύρματου δικτύου λειτουργία υποδομής ο σταθμός βάσης συνδέει κινητά στο ενσύρματο δίκτυο μεταπομπή: το κινητό αλλάζει σταθμό βάσης Υποδομή Δικτύου Wireless, Mobile Networks 6-10

11 Στοιχεία ασύρματου δικτύου ad hoc λειτουργία χωρίς σταθμούς βάσης κόμβοι μπορούν μόνο να μεταδώσουν σε άλλους κόμβους εντός της περιοχής κάλυψης της ζεύξης οι κόμβοι αυτόοργανώνονται σε δίκτυο: μεταξύ τους δρομολόγηση D2D (Device-to-Device) Wireless, Mobile Networks 6-11

12 Ταξινόμηση ασύρματων δικτύων υποδομή (π.χ., APs) χωρίς υποδομή ένα άλμα Το τερματικό συνδέεται στο σταθμό βάσης (WiFi, WiMAX, κυψελωτό) που το συνδέει στο ευρύτερο Internet Χωρίς σταθμό βάσης, χωρίς σύνδεση στο ευρύτερο Internet (Bluetooth, ad hoc δίκτυα) πολλαπλά άλματα Tο τερματικό ίσως πρέπει να αναμεταδώσει μέσω αρκετών ασύρματων κόμβων για να συνδεθεί στο ευρύτερο Internet: δίκτυο πλέγματος (mesh network) Xωρίς σταθμό βάσης, χωρίς σύνδεση στο ευρύτερο Internet. Ίσως πρέπει να αναμεταδώσει για να φθάσει ένα δοσμένο ασύρματο κόμβο MANET, VANET Wireless, Mobile Networks 6-12

13 Διάρθρωση θεματικής ενότητας 6.1 Εισαγωγή Ασύρματο 6.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 6.3 IEEE ασύρματα LANs ( Wi- Fi ) 6.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Internet αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 6.5 Αρχές: διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση προς κινητούς χρήστες 6.6 Mobile IP 6.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 6.8 Κινητικότητα και πρωτόκολλα υψηλότερων στρωμάτων 6.9 Περίληψη Wireless, Mobile Networks 6-13

14 Χαρακτηριστικά Ασύρματης Ζεύξης (1) σημαντικές διαφορές από ενσύρματη ζεύξη. μειωμένη ισχύς σήματος: το ραδιοσήμα εξασθενεί καθώς διαδίδεται μέσω ύλης (απώλειες διαδρομής) παρεμβολές από άλλες πηγές: προτυποποιημένες συχνότητες ασύρματου δικτύου (π.χ., 2.4 GHz) μοιράζονται με άλλες συσκευές (π.χ., τηλέφωνα) διάδοση πολλαπλών διαδρομών : ραδιοσήμα ανακλάται από αντικείμενα στο έδαφος, φθάνοντας στον προορισμό σε ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους. κάνει την επικοινωνία κατά μήκος της ασύρματης ζεύξης (ακόμα και «σημείου προς σημείο») πολύ πιο δύσκολη Wireless, Mobile Networks 6-14

15 BER Χαρακτηριστικά Ασύρματης Ζεύξης (2) SNR: λόγος σήματος προς θόρυβο μεγαλύτερο SNR ευκολότερο να εξάγει σήμα από το θόρυβο (είναι καλό) SNR και BER δεδομένου φυσικού επιπέδου: αύξηση ισχύος --> αύξηση SNR --> μείωση BER δεδομένου SNR: επίλεξε το φυσικό επίπεδο που ικανοποιεί την απαίτηση BER, δίνοντας μέγιστη απόδοση το SNR μπορεί να αλλάξει με την κινητικότητα: δυναμική προσαρμογή φυσικού επιπέδου (τεχνική διαμόρφωσης, ρυθμός) SNR(dB) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) Wireless, Mobile Networks 6-15

16 Χαρακτηριστικά Ασύρματης Ζεύξης (3) Πολλαπλοί ασύρματοι αποστολείς και παραλήπτες δημιουργούν επιπλέον προβλήματα (πέραν της πολλαπλής πρόσβασης): C A B C A Πρόβλημα κρυμμένου τερματικού B, A ακούνε ο ένας τον άλλο B, C ακούνε ο ένας τον άλλο A, C δεν ακούνε ο ένας τον άλλο: σημαίνει πως οι A, C αγνοούν τις παρεμβολές τους στον B B A s signal strength space C s signal strength Εξασθένηση σήματος: B, A ακούνε ο ένας τον άλλο B, C ακούνε ο ένας τον άλλο A, C αγνοούν τις παρεμβολές τους στον B Wireless, Mobile Networks 6-16

17 Code Division Multiple Access (CDMA) (Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση Κώδικα) μοναδικός κώδικας ανατίθεται σε κάθε χρήστη όλοι οι χρήστες μοιράζονται την ίδια συχνότητα, αλλά ο καθένας έχει δική του chipping ακολουθία (π.χ., κώδικας) για την κωδικοποίηση των δεδομένων επιτρέπει σε πολλαπλούς χρήστες να συνυπάρχουν και να μεταδίδουν ταυτόχρονα με ελάχιστες παρεμβολές (αν οι κώδικες είναι ορθογώνιοι ) κωδικοποιημένο σήμα = (αρχικά δεδομένα) x (ακολουθία chipping) αποκωδικοποίηση: εσωτερικό γινόμενο του κωδικοποιημένου σήματος και ακολουθίας chipping Wireless, Mobile Networks 6-17

18 CDMA κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση πομπός data bits code d 0 = 1 d 1 = slot 1 slot 0 Z i,m = d i. cm channel output Z i,m slot 1 channel output slot 0 channel output received input δέκτης code slot 1 slot 0 D i = S Z i,m. cm m=1 M M d 1 = -1 slot 1 channel output d 0 = 1 slot 0 channel output Wireless, Mobile Networks 6-18

19 CDMA: παρεμβολή δύο αποστολέων Αποστολέας 1 το κανάλι προσθέτει τις μεταδόσεις των αποστολέων 1 και 2 Αποστολέας 2 χρησιμοποιώντας ίδιο κώδικα με τον αποστολέα 1, ο δέκτης ανακτά τα αρχικά δεδομένα του αποστολέα 1 από τα δεδομένα του αθροιστικού καναλιού! Wireless, Mobile Networks 6-19

20 Διάρθρωση θεματικής ενότητας 6.1 Εισαγωγή Ασύρματο 6.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 6.3 IEEE ασύρματα LANs ( Wi- Fi ) 6.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Internet αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 6.5 Αρχές: διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση προς κινητούς χρήστες 6.6 Mobile IP 6.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 6.8 Κινητικότητα και πρωτόκολλα υψηλότερων στρωμάτων 6.9 Περίληψη Wireless, Mobile Networks 6-20

21 IEEE Ασύρματο LAN b GHz μη αδειοδοτημένο φάσμα ως 11 Mbps Απλωμένου φάσματος άμεσης ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum-DSSS) στο φυσικό επίπεδο όλα τα τερματικά χρησιμοποιούν τον ίδιο chipping κωδικό a 5-6 GHz εύρος ως 54 Mbps g GHz εύρος ως 54 Mbps n: πολλαπλές κεραίες GHz εύρος ως 200 Mbps όλα χρησιμοποιούν CSMA/CA για πολλαπλή πρόσβαση όλα έχουν εκδοχές δικτύων σταθμού βάσης και ad-hoc Wireless, Mobile Networks 6-21

22 LAN : αρχιτεκτονική BSS 1 Internet hub, switch, router το ασύρματο τερματικό επικοινωνεί με το σταθμό βάσης σταθμός βάσης = σημείο πρόσβασης (AP) Basic Service Set (BSS) (δλδ κυψέλη ) σε λειτουργία υποδομής περιέχει: ασύρματα τερματικά σημείο πρόσβασης (AP): σταθμός βάσης ad hoc λειτουργία: μόνο τερματικά BSS 2 Wireless, Mobile Networks 6-22

23 802.11: κανάλια, σύνδεση b: 2.4GHz-2.485GHz φάσμα, διαιρείται σε 11 κανάλια σε διαφορετικές συχνότητες ο AP admin επιλέγει συχνότητα για το AP πιθανή παρεμβολή: το κανάλι μπορεί να είναι ίδιο με του γειτονικού AP! τερματικό: πρέπει να συνδεθεί με ένα AP σαρώνει τα κανάλια, ακούει για πλαίσια beacon που περιέχουν το όνομα (SSID) και την MAC διεύθυνση του AP επιλέγει AP για να συνδεθεί ίσως εκτελέσει πιστοποίηση [βλέπε ΘΕ5: ασφάλεια δικτύων] συνήθως θα τρέξει DHCP για να πάρει IP διεύθυνση στο subnet του AP Wireless, Mobile Networks 6-23

24 802.11: παθητική/ενεργητική σάρωση BSS 1 BSS 2 BSS 1 BSS 2 AP 1 1 H AP 2 παθητική σάρωση: (1) beacon πλαίσια από APs (2) πλαίσιο αίτησης σύνδεσης: από H1 προς επιλεγμένο AP (3) πλαίσιο απόκρισης σύνδεσης: από επιλεγμένο AP προς H1 AP H1 2 3 AP 2 ενεργητική σάρωση: (1) broadcast πλαίσιο αίτησης ανίχνευσης από H1 (2) πλαίσια αίτησης ανίχνευσης από APs (3) πλαίσιο αίτησης σύνδεσης : από H1 προς επιλεγμένο AP (4) πλαίσιο απόκρισης σύνδεσης: από επιλεγμένο AP προς H1 4 Wireless, Mobile Networks 6-24

25 IEEE : πολλαπλή πρόσβαση αποφυγή συγκρούσεων: >1 κόμβοι μεταδίδουν την ίδια στιγμή : CSMA αφουγκράζεται το κανάλι πριν μεταδώσει αποφυγή σύγκρουσης με εν εξελίξει μετάδοση από άλλο κόμβο : χωρίς ανίχνευση σύγκρουσης! δύσκολο να λάβει (ανιχνεύσει συγκρούσεις) όταν μεταδίδει λόγω αδύναμων λαμβανόμενων σημάτων (εξασθένιση) δεν μπορεί να αντιληφθεί όλες τις συγκρούσεις σε κάθε περίπτωση: κρυμμένο τερματικό, εξασθένιση στόχος: αποφυγή συγκρούσεων: CSMA/C(ollision)A(voidance) C A B C A B A s signal strength C s signal strength space Wireless, Mobile Networks 6-25

26 IEEE MAC Protocol: CSMA/CA αποστολέας αν «αισθανθείς» το κανάλι αδρανές για DIFS τότε μετάδωσε ολόκληρο το πλαίσιο (όχι CD) αν «αισθανθείς» το κανάλι απασχολημένο τότε επίλεξε τυχαίο χρόνο οπισθοχώρησης χρονομετρητής μετράει αντίστροφα όταν το κανάλι είναι αδρανές μετάδωσε όταν λήξει ο χρονομετρητής αν δεν λάβεις ACK, αύξησε το τυχαίο διάστημα οπισθοχώρησης, επανάλαβε δέκτης αν το πλαίσιο παραληφθεί OK στείλε ACK μετά από SIFS (ACK χρειάζεται λόγω προβλήματος κρυμμένου τερματικού) DIFS sender data ACK receiver SIFS Wireless, Mobile Networks 6-26

27 Αποφυγή συγκρούσεων (περισσότερα) ιδέα: επίτρεψε στον αποστολέα να κάνει κράτηση στο κανάλι αντί για τυχαία πρόσβαση των πλαισίων δεδομένων αποφυγή συγκρούσεων μεγάλων πλαισίων δεδομένων ο αποστολέας πρώτα μεταδίδει μικρά πακέτα request-to-send (RTS) (αίτηση για αποστολή) στο BS (σταθμό βάσης) χρησιμοποιώντας CSMA τα RTS μπορεί να συγκρουστούν μεταξύ τους (αλλά είναι μικρά) BS εκπέμπει clear-to-send (CTS) σε απόκριση του RTS το CTS (clear to send ελεύθερο για αποστολή) ακούγεται από όλους τους κόμβους ο αποστολέας μεταδίδει πλαίσιο δεδομένων οι άλλοι σταθμοί αναβάλλουν τις μεταδόσεις απόφυγε συγκρούσεις πλαισίων δεδομένων εντελώς, χρησιμοποιώντας μικρά πακέτα κράτησης! Wireless, Mobile Networks 6-27

28 Αποφυγή Συγκρούσεων: «κράτηση» καναλιού μέσω RTS-CTS A AP B σύγκρουση DATA (A) αναβολή χρόνος Wireless, Mobile Networks 6-28

29 πλαίσιο: διευθυνσιοδότηση frame control duration address 1 address 2 address 3 seq control address 4 payload CRC Διεύθυνση 1: MAC διεύθυνση ασύρματου τερματικού ή AP που λαμβάνει αυτό το πλαισίο Διεύθυνση 2: MAC διεύθυνση ασύρματου τερματικού ή AP που μεταδίδει αυτό το πλαίσιο Διεύθυνση 4: χρησιμοποιείται μόνο σε ad hoc λειτουργία Διεύθυνση 3: MAC διεύθυνση διεπαφής δρομολογητή στην οποία συνδέεται το AP Wireless, Mobile Networks 6-29

30 πλαίσιο: διευθυνσιοδότηση H1 R1 router Internet R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address frame AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address frame Wireless, Mobile Networks 6-30

31 πλαίσιο: περισσότερα διάρκεια εκχωρημένου χρόνου μετάδοσης (RTS/CTS) # ακολουθίας πλαισίου (για έλεγχο λαθών) frame control duration address 1 address 2 address 3 seq control address 4 payload CRC Protocol version Type Subtype To AP From AP More frag Retry Power mgt More data WEP Rsvd τύπος πλαισίου (RTS, CTS, ACK, data) Wireless, Mobile Networks 6-31

32 802.11: κινητικότητα εντός του ίδιου subnet Ο H1 παραμένει στο ίδιο IP υποδίκτυο: η IP διεύθυνση μπορεί να παραμείνει ίδια μεταγωγέας: ποιό AP συνδέεται με τον H1; αυτο-εκμάθηση: ο μεταγωγέας θα δει το πλαίσιο από το H1 και θα θυμηθεί ποιά θύρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φθάσει στον H1 BBS 1 H1 BBS 2 Wireless, Mobile Networks 6-32

33 BER : προχωρημένες δυνατότητες Προσαρμογή ρυθμού σταθμός βάσης, κινητό δυναμικά αλλάζουν ρυθμό μετάδοσης (τεχνική διαμόρφωσης φυσικού επιπέδου) καθώς μετακινείται το κινητό, το SNR ποικίλλει QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) operating point SNR(dB) 1. SNR μειώνεται, BER αυξάνεται καθώς ο κόμβος απομακρύνεται από το σταθμό βάσης 2. Όταν το BER γίνεται πολύ μεγάλο, μεταβαίνει σε χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης αλλά με μικρότερο BER Wireless, Mobile Networks 6-33

34 802.11: προηγμένες δυνατότητες διαχείριση ενέργειας κόμβος προς AP: Θα κοιμηθώ μέχρι το πλαίσιο beacon το AP γνωρίζει ότι δεν πρέπει να μεταδίδει προς αυτό τον κόμβο ο κόμβος ξυπνάει πριν το επόμενο beacon πλαίσιο πλαίσιο beacon : περιέχει λίστα των κινητών με πλαίσια από το AP προς το κινητό που περιμένουν για αποστολή ο κόμβος θα παραμείνει ξύπνιος αν υπάρχουν πλαίσια από το AP προς το κινητό που περιμένουν για αποστολή αλλιώς κοιμάται ξανά μέχρι το επόμενο beacon πλαίσιο Wireless, Mobile Networks 6-34

35 802.15: personal area network λιγότερο από 10 m διάμετρο αντικατάσταση καλωδίου (ποντίκι, πληκτρολόγιο, ακουστικά) S P ad hoc: χωρίς υποδομή P M radius of coverage master/slaves: slaves αιτούνται άδειας να στείλουν (στον master) master δέχεται αιτήματα S P S P : εξελίχθηκε από προδιαγραφή του Bluetooth GHz ζώνη συχνοτήτων ως 721 kbps M S P Master device Slave device Parked device (inactive) Wireless, Mobile Networks 6-35

36 Διάρθρωση θεματικής ενότητας 6.1 Εισαγωγή Ασύρματο 6.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 6.3 IEEE ασύρματα LANs ( Wi- Fi ) 6.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Internet αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 6.5 Αρχές: διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση προς κινητούς χρήστες 6.6 Mobile IP 6.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 6.8 Κινητικότητα και πρωτόκολλα υψηλότερων στρωμάτων 6.9 Περίληψη Wireless, Mobile Networks 6-36

37 Συστατικά αρχιτεκτονικής κυψελωτού δικτύου κυψέλη καλύπτει γεωγραφική περιοχή σταθμός βάσης (BS) ανάλογος με AP κινητοί χρήστες συνδέονται στο δίκτυο μέσω του BS διεπαφή αέρα: πρωτόκολλο επιπέδων ζεύξης και φυσικού μεταξύ κινητού και BS MSC συνδέει κυψέλες σε ενσύρματα τηλεφωνικά δίκτυα διαχειρίζεται την εγκατάσταση κλήσης διαχειρίζεται την κινητικότητα Mobile Switching Center Mobile Switching Center Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο ενσύρματο δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-37

38 Κυψελωτά δίκτυα: πρώτο άλμα 2 τεχνικές διαμοιρασμού ραδιοφάσματος από το κινητό και το BS συνδυασμένο FDMA/TDMA: διαιρεί το φάσμα σε υποκανάλια συχνότητας, διαιρεί κάθε κανάλι σε χρονοθυρίδες CDMA: code division multiple access frequency bands time slots Wireless, Mobile Networks 6-38

39 2G (φωνή) αρχιτεκτονική δικτύου Base station system (BSS) BTS BSC MSC G Gateway MSC Public telephone network Legend Base transceiver station (BTS) Base station controller (BSC) Mobile Switching Center (MSC) Mobile subscribers Wireless, Mobile Networks 6-39

40 3G (φωνή+δεδομένα) αρχιτεκτονική δικτύου radio network controller MSC G Gateway MSC Public telephone network Κεντρική εικόνα: το νέο κυψελωτό δίκτυο δεδομένων λειτουργεί παράλληλα (εκτός της άκρης) με το υπάρχον κυψελωτό δίκτυο φωνής δίκτυο φωνής αμετάβλητο στον πυρήνα δίκτυο δεδομένων λειτουργεί παράλληλα SGSN G GGSN Public Internet Serving GPRS Support Node (SGSN) Gateway GPRS Support Node (GGSN) Wireless, Mobile Networks 6-40

41 3G (φωνή+δεδομένα) αρχιτεκτονική δικτύου radio network controller MSC G Gateway MSC Public telephone network SGSN G Public Internet GGSN διεπαφή ραδιοσυχνοτήτων (WCDMA, HSPA) δίκτυο ραδιοπρόσβασης Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) δίκτυο κορμού General Packet Radio Service (GPRS) Core Network δημόσιο Internet Wireless, Mobile Networks 6-41

42 Διάρθρωση θεματικής ενότητας 6.1 Εισαγωγή Ασύρματο 6.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 6.3 IEEE ασύρματα LANs ( Wi- Fi ) 6.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Internet αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 6.5 Αρχές: διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση προς κινητούς χρήστες 6.6 Mobile IP 6.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 6.8 Κινητικότητα και πρωτόκολλα υψηλότερων στρωμάτων 6.9 Περίληψη Wireless, Mobile Networks 6-42

43 Τι είναι η κινητικότητα; φάσμα κινητικότητας, από την άποψη του δικτύου: καθόλου κινητικότητα υψηλή κινητικότητα κινητός ασύρματος χρήστης, χρησιμοποιεί το ίδιο ΑΡ κινητός χρήστης, συνδέεται/ αποσυνδέεται από το δίκτυο με χρήση DHCP κινητός χρήστης, περνάει μέσω πολλαπλών ΑΡ ενώ διατηρεί τις τρέχουσες συνδέσεις (όπως το κινητό) Wireless, Mobile Networks 6-43

44 Κινητικότητα: Λεξιλόγιο οικιακό δίκτυο: μόνιμη κατοικία του κινητού (π.χ., /24) οικιακός πράκτορας: οντότητα που θα εκτελέσει λειτουργίες διαχείρισης κινητικότητας εκ μέρους του κινητού, όταν αυτό κινείται μόνιμη διεύθυνση: διεύθυνση οικιακού δικτύου, μπορεί πάντα να χρησιμοποιηθεί για να έρθουμε σε επαφή με το κινητό πχ, wide area network Wireless, Mobile Networks 6-44

45 Κινητικότητα: περισσότερο λεξιλόγιο μόνιμη διεύθυνση: παραμένει σταθερή (π.χ., ) care-of-address: address in visited network. (e.g., 79, ) επισκεπτόμενο δίκτυο: δίκτυο στο οποίο το κινητό βρίσκεται προς το παρόν (π.χ., /24) wide area network ανταποκριτής: θέλει να επικοινωνήσει με το κινητό ξένος πράκτορας: οντότητα στο επισκεπτόμενο δίκτυο που θα εκτελέσει λειτουργίες κινητικότητας εκ μέρους του κινητού. Wireless, Mobile Networks 6-45

46 Πώς επικοινωνείς με μια κινητή φίλη: Πως βρίσκεις μιά φίλη που αλλάζει συχνά διευθύνσεις; ψάχνεις όλους τους τηλεφωνικούς καταλόγους; καλείς τους γονείς της; περιμένεις να σε ενημερώσει για το που βρίσκεται; Πού να πήγε η Αλίκη; Wireless, Mobile Networks 6-46

47 Κινητικότητα: προσεγγίσεις άσε τη δρομολόγηση να το αναλάβει: οι δρομολογητές διαφημίζουν τη μόνιμη διεύθυνση των κινητών κόμβων μέσω της συνήθους ανταλλαγής πινάκων δρομολόγησης πίνακες δρομολόγησης υποδεικνύουν που βρίσκεται κάθε κινητό χωρίς αλλαγές στα τερματικά άσε τα τερματικά να το αναλάβουν: έμμεση δρομολόγηση: επικοινωνία από ανταποκριτή προς κινητό μέσω του οικιακού πράκτορα, μετά προωθείται στο κινητό άμεση δρομολόγηση: ανταποκριτής παίρνει την ξένη διεύθυνση του κινητού, στέλνει απευθείας στο κινητό Wireless, Mobile Networks 6-47

48 Κινητικότητα: προσεγγίσεις άσε τη δρομολόγηση να το αναλάβει: οι δρομολογητές διαφημίζουν τη μόνιμη διεύθυνση των κινητών δεν κόμβων μέσω της συνήθους ανταλλαγής πινάκων δρομολόγησης κλιμακώνεται σε εκατομμύρια κινητά πίνακες δρομολόγησης υποδεικνύουν που βρίσκεται κάθε κινητό χωρίς αλλαγές στα τερματικά άσε τα τερματικά να το αναλάβουν: έμμεση δρομολόγηση: επικοινωνία από ανταποκριτή προς κινητό μέσω του οικιακού πράκτορα, μετά προωθείται στο κινητό άμεση δρομολόγηση: ανταποκριτής παίρνει την ξένη διεύθυνση του κινητού, στέλνει απευθείας στο κινητό Wireless, Mobile Networks 6-48

49 Κινητικότητα: εγγραφή οικιακό δίκτυο επισκεπτόμενο δίκτυο wide area network 2 1 τελικό αποτέλεσμα: ο ξένος πράκτορας επικοινωνεί με τον οικιακό πράκτορα: αυτό το κινητό βρίσκεται στο δίκτυό μου ο ξένος πράκτορας γνωρίζει για το κινητό το κινητό επικοινωνεί με τον ξένο πράκτορα μπαίνοντας στο επισκεπτόμενο δίκτυο ο οικιακός πράκτορας γνωρίζει τη θέση του κινητού Wireless, Mobile Networks 6-49

50 Κινητικότητα μέσω έμμεσης δρομολόγησης οικιακό δίκτυο οικιακός πράκτορας παρακολουθεί τα πακέτα, τα προωθεί στον ξένο πράκτορα ξένος πράκτορας λαμβάνει πακέτα, τα προωθεί στο κινητό επισκεπτόμενο δίκτυο 3 ο ανταποκριτής κατευθύνει πακέτα χρησιμοποιώντας την οικιακή διεύθυνση του κινητού 1 wide area network 2 4 το κινητό απαντάει άμεσα στον ανταποκριτή Wireless, Mobile Networks 6-50

51 Έμμεση δρομολόγηση: σχόλια το κινητό χρησιμοποιεί 2 διευθύνσεις: μόνιμη: χρησιμοποιείται από τον ανταποκριτή (έτσι η θέση του κινητού είναι διαφανής στον ανταποκριτή) care-of: χρησιμοποιείται από τον οικιακό πράκτορα για να προωθεί datagrams στο κινητό λειτουργίες του ξένου πράκτορα: μπορεί να τις κάνει το κινητό από μόνο του τριγωνική δρομολόγηση: ανταποκριτής-οικιακό δίκτυο-κινητό αναποτελεσματικό όταν ανταποκριτής και κινητό είναι στο ίδιο δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-51

52 Έμμεση δρομολόγηση: μετακίνηση μεταξύ δικτύων υποθέστε ότι ο κινητός χρήστης μετακινείται σε άλλο δίκτυο εγγράφεται σε νέο ξένο πράκτορα ο νέος ξένος πράκτορας εγγράφεται στον οικιακό πράκτορα ο οικιακός πράκτορας ενημερώνει την care-of διεύθυνση του κινητού πακέτα συνεχίζουν να προωθούνται προς το κινητό (αλλά με νέα care-of διεύθυνση) κινητικότητα, αλλαγή ξένων δικτύων: οι τρέχουσες συνδέσεις διατηρούνται! Wireless, Mobile Networks 6-52

53 Κινητικότητα μέσω άμεσης δρομολόγησης ο ανταποκριτής προωθεί προς τον ξένο πράκτορα ο ξένος πράκτορας λαμβάνει πακέτα, τα προωθεί στο κινητό οικιακό δίκτυο ο ανταποκριτής ζητάει, λαμβάνει τη ξένη διεύθυνση του κινητού επισκεπτόμενο δίκτυο το κινητό απαντά ευθέως στον ανταποκριτή Wireless, Mobile Networks 6-53

54 Κινητικότητα μέσω άμεσης δρομολόγησης: σχόλια ξεπερνάει το τριγωνικό πρόβλημα δρομολόγησης αδιαφανής προς τον ανταποκριτή: ο ανταποκριτής πρέπει να πάρει την care-of διεύθυνση από τον οικιακό πράκτορα αν το κινητό αλλάξει επισκεπτόμενο δίκτυο; Wireless, Mobile Networks 6-54

55 Κινητικότητα με άμεση δρομολόγηση ξένος πράκτορας-άγκυρα (FA): FA στο πρώτο επισκεπτόμενο δίκτυο τα δεδομένα πάντα δρομολογούνται πρώτα προς το FA-άγκυρα όταν το κινητό κινείται: νέο FA κανονίζει να έχει δεδομένα προωθημένα από το παλιό FA (αλυσίδα) ανταποκριτής wide area network 1 πράκτορας ανταποκριτή ξένος πράκτορα ς άγκυρα 5 4 νέος ξένος πράκτορας 3 ξένο επισκεπτόμενο δίκτυο στην αρχή της συνόδου 2 νέο ξένο δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-55

56 Διάρθρωση θεματικής ενότητας 6.1 Εισαγωγή Ασύρματο 6.2 Ασύρματες ζεύξεις, χαρακτηριστικά CDMA 6.3 IEEE ασύρματα LANs ( Wi-Fi ) 6.4 Κυψελωτή πρόσβαση στο Internet αρχιτεκτονική πρότυπα (e.g., GSM) Κινητικότητα 6.5 Αρχές: διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση προς κινητούς χρήστες 6.6 Mobile IP 6.7 Διαχείριση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα 6.8 Κινητικότητα και πρωτόκολλα υψηλότερων στρωμάτων 6.9 Περίληψη Wireless, Mobile Networks 6-56

57 Mobile IP RFC 3344 πολλά χαρακτηριστικά που έχουμε δει: οικιακοί πράκτορες, ξένοι πράκτορες, εγγραφή ξένου πράκτορα, care-of διευθύνσεις, ενθυλάκωση (πακέτο μέσα σε πακέτο) τρία συστατικά με το πρότυπο: έμμεση δρομολόγηση datagrams ανακάλυψη πράκτορα εγγραφή με οικιακό πράκτορα Wireless, Mobile Networks 6-57

58 Mobile IP: άμεση δρομολόγηση πακέτο ξένου πράκτορα προς κινητό πακέτο στέλνεται από οικιακό πράκτορα σε ξένο πράκτορα: πακέτο μέσα σε πακέτο dest: dest: dest: μόνιμη δ/νση: dest: πακέτο που στέλνεται από τον ανταποκριτή Care-of δ/νση: Wireless, Mobile Networks 6-58

59 Mobile IP: ανακάλυψη πράκτορα διαφήμιση πράκτορα: ξένοι/οικιακοί πράκτορες διαφημίζουν υπηρεσίες μέσω broadcast ICMP μηνυμάτων (πεδίο τύπου = 9) H,F bits: οικιακός ή/και ξένος πράκτορας R bit: απαιτείται εγγραφή type = 9 code = 0 = 9 type = 16 registration lifetime router address checksum = 9 length sequence # RBHFMGV bits 0 or more care-ofaddresses reserved standard ICMP fields mobility agent advertisement extension Wireless, Mobile Networks 6-59

60 Mobile IP: παράδειγμα εγγραφής home agent HA: registration req. COA: HA: MA: Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format. foreign agent COA: visited network: /24 ICMP agent adv. COA: registration req. COA: HA: MA: Lifetime: 9999 identification:714. mobile agent MA: time registration reply HA: MA: Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format. registration reply HA: MA: Lifetime: 4999 Identification: 714. Wireless, Mobile Networks 6-60

61 Συστατικά αρχιτεκτονικής κυψελωτού δικτύου θυμηθείτε: wired public telephone network ανταποκριτής MSC MSC MSC MSC MSC διαφορετικά κυψελωτά δίκτυα, τα διαχειρίζονται διαφορετικοί πάροχοι Wireless, Mobile Networks 6-61

62 Αντιμετώπιση κινητικότητας σε κυψελωτά δίκτυα οικιακό δίκτυο: δίκτυο κυψελωτού παρόχου στο οποίο εγγράφεσαι (π.χ., Cosmote, Vodafone, Wind) home location register (HLR): βάση δεδομένων σε οικιακό δίκτυο που περιέχει τον μόνιμο # κινητού τηλεφώνου, πληροφορίες προφίλ (υπηρεσίες, προτιμήσεις, χρεώσεις), πληροφορίες για τρέχουσα τοποθεσία (θα μπορούσε να είναι σε άλλο δίκτυο) επισκεπτόμενο δίκτυο: δίκτυο στο οποίο βρίσκεται προς το παρόν το κινητό visitor location register (VLR): βάση δεδομένων με εγγραφή για κάθε χρήστη στο δίκτυο επί του παρόντος θα μπορούσε να είναι το οικιακό δίκτυο Wireless, Mobile Networks 6-62

63 GSM: έμμεση δρομολόγηση σε κινητό κινητός χρήστης HLR οικιακό MSC συμβουλεύεται την HLR, παίρνει # περιαγωγής κινητού σε επισκεπτόμενο δίκτυο 4 2 οικιακό δίκτυο home Mobile Switching Center VLR Mobile Switching Center επισκεπτόμενο δίκτυο 3 1 ανταποκριτής Public switched telephone network κλήση δρομολογείται προς οικιακό δίκτυο οικιακό MSC στήνει 2 ο σκέλος κλήσης προς το MSC στο επισκεπτόμενο δίκτυο MSC σε επισκεπτόμενο δίκτυο ολοκληρώνει κλήση μέσω σταθμού βάσης προς το κινητό Wireless, Mobile Networks 6-63

64 GSM: μεταπομπή με κοινό MSC στόχος μεταπομπής: δρομολόγηση κλήσης μέσω νέου σταθμού βάσης (χωρίς διακοπή) old BSS VLR old routing Mobile Switching Center new routing new BSS λόγοι μεταπομπής: ισχυρότερο σήμα προς/από νέο BSS (συνεχής συνδεσιμότητα, μκρότερη εξάντληση της μπαταρίας) εξισορρόπηση φόρτου: ελευθερώνει κανάλι στο τρέχον BSS GSM δεν ενδιαφέρεται γιατί εκτελεί μεταπομπή (πολιτική), μόνο πώς (μηχανισμός) μεταπομπή εκκινείται από παλιό BSS Wireless, Mobile Networks 6-64

65 GSM: μεταπομπή με κοινό MSC old BSS 1 VLR 8 Mobile Switching Center new BSS 1. το παλιό BSS πληροφορεί το MSC για επικείμενη μεταπομπή, παρέχει λίστα1 + νέων BSS 2. MSC δημιουργεί διαδρομή (αναθέτει πόρους) προς το νέο BSS 3. νέο BSS αναθέτει κανάλι για χρήση από το κινητό 4. νέο BSS στέλνει σήμα σε MSC, παλιό BSS: έτοιμο 5. παλιό BSS λέει στο κινητό: εκτέλεσε μεταπομπή προς νέο BSS 6. κινητό, νέο BSS στέλνουν σήμα για να ενεργοποιήσουν το νέο κανάλι 7. το κινητό στέλνει σήμα μέσω του νέου BSS στο MSC: μεταπομπή πλήρης. MSC αναδρομολογεί κλήση 8. πόροι για MSC - παλιό BSS ελευθερώνονται Wireless, Mobile Networks 6-65

66 GSM: μεταπομπή μεταξύ MSCs MSC άγκυρα: πρώτο MSC που επισκέπτεται κατά την κλήση home network Home MSC correspondent κλήση εξακολουθεί να δρομολογείται μέσω MSC άγκυρας anchor MSC MSC PSTN MSC MSC νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της MSC αλυσίδας καθώς το κινητό μετακινείται σε νέο MSC (a) πριν τη μεταπομπή προαιρετικό βήμα ελαχιστοποίησης μονοπατιού για μείωση multi-msc αλυσίδας Wireless, Mobile Networks 6-66

67 GSM: μεταπομπή μεταξύ MSCs home network Home MSC anchor MSC MSC correspondent PSTN MSC MSC MSC άγκυρα: πρώτο MSC που επισκέπτεται κατά την κλήση κλήση εξακολουθεί να δρομολογείται μέσω MSC άγκυρας νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της MSC αλυσίδας καθώς το κινητό μετακινείται σε νέο MSC προαιρετικό βήμα ελαχιστοποίησης μονοπατιού για μείωση multi-msc αλυσίδας (b) μετά τη μεταπομπή Wireless, Mobile Networks 6-67

68 Mobility: GSM έναντι Mobile IP GSM στοιχείο Σχόλιο για GSM στοιχείο Mobile IP στοιχείο Οικιακό σύστημα Gateway Mobile Switching Center ή οικιακό MSC. Home Location Register (HLR) Επισκεπτόμενο σύστημα Visited Mobile services Switching Center. Visitor Location Record (VLR) Mobile Station Roaming Number (MSRN) ή αριθμός περιαγωγής Δίκτυο στο οποίο ο μόνιμος αριθμός τηλεφώνου του κινητού χρήστη ανήκει Home MSC: σημείο επαφής για να αποκτήσει δρομολογήσιμη δ/νση για τον κινητό χρήστη. HLR: βάση δεδομένων στο σύστημα, περιέχει μόνιμο τηλεφωνικό αριθμό, πληροφορίες προφίλ, τρέχουσα τοποθεσία κινητού χρήστη, πληροφορίες εγγραφής Άλλο δίκτυο από το οικιακό σύστημα όπου βρίσκεται ο κινητός χρήστης Επισκεπτόμενο MSC: υπεύθυνο για δημιουργία κλήσεων από/προς κινητούς κόμβους σε κυψέλες που συνδέονται με το MSC. VLR: προσωρινή εγγραφή βάσης δεδομένων στο επισκεπτόμενο σύστημα, περιέχει πληροφορίες εγγραφής για κάθε επισκέπτη κινητό χρήστη Δρομολογήσιμη δ/νση για τμήμα τηλεφωνικής κλήσης μεταξύ οικιακού MSC και επισκεπτόμενου MSC, μη ορατό τόσο στο κινητό όσο και στον ανταποκριτή Οικιακό δίκτυο Οικιακός πράκτορας Επισκεπτόμενο δίκτυο Ξένος πράκτορας Care-of δ/νση Wireless, Mobile Networks 6-68

69 Ασύρματη ζεύξη, κινητικότητα: επίδραση σε πρωτόκολλα υψηλότερων επιπέδων λογικά, η επίδραση θα έπρεπε να είναι ελάχιστη μοντέλο υπηρεσίας βέλτιστης προσπάθειας παραμένει αμετάβλητο TCP και UDP μπορούν και τρέχουν σε ασύρματο, κινητό αλλά όσον αφορά την επίδοση: απώλεια πακέτων/καθυστέρηση λόγω λαθών bit (απορριφθέντα πακέτα, καθυστερήσεις για αναμεταδόσεις επιπέδου ζεύξης) και μεταπομπής TCP ερμηνεύει τις απώλειες ως συμφόρηση, θα μειώσει το παράθυρο συμφόρησης χωρίς να χρειάζεται διαταραχές καθυστέρησης για κίνηση πραγματικού χρόνου περιορισμένο εύρος ζώνης ασύρματων ζεύξεων Wireless, Mobile Networks 6-69